MOS 器件及其集成电路的可靠性与失效分析（提要） 作者：Xie M. X. (UESTC ，成都市) 影响MOS 器件及其集成电路可靠性的因素很多，有设计方面的，如材料、器件和工艺等的选取；有工艺方面的，如物理、化学等工艺的不稳定性；也有使用方面的，如电、热、机械等的应力和水汽等的侵入等。 从器件和工艺方面来考虑，影响MOS 集成电路可靠性的主要因素有三个：一是栅极氧化层性能退化；二是热电子效应；三是电极布线的退化。 由于器件和电路存在有一定失效的可能性，所以为了保证器件和电路能够正常工作一定的年限（例如，对于集成电路一般要求在10年以上），在出厂前就需要进行所谓可靠性评估，即事先预测出器件或者IC 的寿命或者失效率。 （1）可靠性评估： 对于各种元器件进行可靠性评估，实际上也就是根据检测到的元器件失效的数据来估算出元器件的有效使用寿命——能够正常工作的平均时间（MTTF ，mean time to failure ）的一种处理过程。 因为对于元器件通过可靠性试验而获得的失效数据，往往遵从某种规律的分布，因此根据这些数据，由一定的分布规律出发，即可估算出MTTF 和失效率。 比较符合实际情况、使用最广泛的分布规律有两种，即对数正态分布和Weibull 分布。 ①对数正态分布： 若一个随机变量x 的对数服从正态分布，则该随机变量x 就服从对数正态分布；对数正态分布的概率密度函数为 222/)(ln 21)(σμπσ--?=x e x x f 该分布函数的形式如图1所示。 对数正态分布是对数为正态分布的任 意随机变量的概率分布；如果x 是正态分布 的随机变量，则exp(x)为对数分布；同样， 如果y 是对数正态分布，则log(y)为正态分 布。 ②Weibull 分布： 由于Weibull 分布是根据最弱环节模型 或串联模型得到的，能充分反映材料缺陷和 应力集中源对材料疲劳寿命的影响，而且具 有递增的失效率，所以，将它作为材料或零件的寿命分布模型或给定寿命下的疲劳强 度模型是合适的；而且尤其适用于机电类产品的磨损累计失效的分布形式。由于它可以根据失效概率密度来容易地推断出其分布参数，故被广泛地应用于各种寿命试验的数据处理。与对数正态分布相比，Weibull 分布具有更大的适用性。 Weibull 分布的失效概率密度函数为 m t m t m e t m t f )/()(ηη--?= 图1 对数正态分布
集成电路特点及可靠性分析 电子科学与应用物理学院
数字集成电路的出现, 促进了电子器件更广泛的应用于工业控制、医疗卫生、航天航空、国防军事等生产和生活的各个领域。同时，为了满足这些生产和生活各个领域发展的不断要求，设计和制造体积更小、信息处理能力更强的器件，成为未来信息技术发展的关键所在。 自1958年美国德克萨斯仪器公司(TI)发明集成电路（IC）后，随着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃。 MOS是:金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC（Complementary MOS Integrated Circuit）。 目前数字集成电路按导电类型可分为双极型集成电路（主要为TTL）和单极型集成电路（CMOS、NMOS、PMOS等）。CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦（nw）数量级。 CMOS发展比TTL晚，但是以其较高的优越性在很多场合逐渐取代了TTL。 以下比较两者性能，大家就知道其原因了。 1.CMOS是场效应管构成，TTL为双极晶体管构成 2.CMOS的逻辑电平范围比较大（5～15V），TTL只能在5V下工作 3.CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差 4.CMOS功耗很小，TTL功耗较大（1～5mA/门） CMOS的主要特点就是功耗低。CMOS集成电路主要应用场效应管，场效应管的互补结构使它们工作时两个场效应管通常处于一个管静止另一个管导通的状态，有由于它们采用串联连接的方式，因此电路静态功耗从理论上看基本为零。实际上看，CMOS集成电路板的功耗并非真正为零，由于电路板的电流在传输过程中存在漏电流损耗，因此CMOS集成电路板中有少许静态功耗，据测试，单一电路的功耗值仅为17.8毫瓦，在1MHz的工作频率下，动态功耗也仅28毫瓦。CMOS的另一个特点是它的工作电压范围宽，对电压波动性的适应能力强，无需稳压器，供电电源的体积小，方便各种应用电路板的设备使用。目前国际上最常
集成电路产业链及主要企业分析 集成电路简介集成电路（integratedcircuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比（基于锗（Ge）的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于硅（Si）的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。 是20世纪50年代后期一60年代发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上。 集成电路的特点集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。 集成电路产业链概要集成电路的产业链又是怎样的呢？集成电路，就是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。 集成电路主要包括模拟电路、逻辑电路、微处理器、存储器等。广泛用于各类电子产品之
UESTC-Ning Ning 1 Chapter 2 Chip Level Interconnection 宁宁 芯片互连技术 集成电路封装测试与可靠性
UESTC-Ning Ning 2 Wafer In Wafer Grinding (WG 研磨)Wafer Saw (WS 切割)Die Attach (DA 黏晶)Epoxy Curing (EC 银胶烘烤)Wire Bond (WB 引线键合)Die Coating (DC 晶粒封胶/涂覆) Molding (MD 塑封)Post Mold Cure (PMC 模塑后烘烤)Dejunk/Trim (DT 去胶去纬) Solder Plating (SP 锡铅电镀)Top Mark (TM 正面印码)Forming/Singular (FS 去框/成型) Lead Scan (LS 检测)Packing (PK 包装) 典型的IC 封装工艺流程 集成电路封装测试与可靠性
UESTC-Ning Ning 3 ? 电子级硅所含的硅的纯度很高，可达99.9999 99999 % ? 中德电子材料公司制作的晶棒( 长度达一公尺，重量超过一百公斤 )
UESTC-Ning Ning 4 Wafer Back Grinding ?Purpose The wafer backgrind process reduces the thickness of the wafer produced by silicon fabrication (FAB) plant. The wash station integrated into the same machine is used to wash away debris left over from the grinding process. ?Process Methods: 1) Coarse grinding by mechanical.(粗磨)2) Fine polishing by mechanical or plasma etching. (细磨抛光 )
1 Chapter 2 Chip Level Interconnection 芯片互连技术 集成电路封装测试与可靠性
UESTC-Ning Ning 2 Wafer In Wafer Grinding (WG 研磨)Wafer Saw (WS 切割)Die Attach (DA 黏晶)Epoxy Curing (EC 银胶烘烤)Wire Bond (WB 引线键合)Die Coating (DC 晶粒封胶/涂覆) Molding (MD 塑封)Post Mold Cure (PMC 模塑后烘烤)Dejunk/Trim (DT 去胶去纬) Solder Plating (SP 锡铅电镀)Top Mark (TM 正面印码)Forming/Singular (FS 去框/成型) Lead Scan (LS 检测)Packing (PK 包装) 典型的IC 封装工艺流程 集成电路封装测试与可靠性
UESTC-Ning Ning 3 ? 电子级硅所含的硅的纯度很高，可达99.9999 99999 % ? 中德电子材料公司制作的晶棒( 长度达一公尺，重量超过一百公斤 )
UESTC-Ning Ning 4 Wafer Back Grinding ?Purpose The wafer backgrind process reduces the thickness of the wafer produced by silicon fabrication (FAB) plant. The wash station integrated into the same machine is used to wash away debris left over from the grinding process. ?Process Methods: 1) Coarse grinding by mechanical.(粗磨)2) Fine polishing by mechanical or plasma etching. (细磨抛光 )
集成电路可靠性介绍 可靠性的定义是系统或元器件在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。从集成电路的诞生开始，可靠性的研究测试就成为IC设计、制程研究开发和产品生产中的一个重要部分。 Jack Kilby 在1958年发明了集成电路，第一块商用单片集成电路在1961年诞生；1962年9月26日，第一届集成电路方面的专业国际会议在美国芝加哥召开。当时会议名称为“电子学失效物理年会”；1967年,会议名称改为“可靠性物理年会”；1974年又改为“国际可靠性物会议”(IR PS) 并延续至今。IRPS已经发展成集成电路行业的一个盛会，而可靠性也成为横跨学校研究所及半导体产业的重要研究领域。 集成电路可靠性评估体系 经过四十多年的发展，集成电路的可靠性评估已经形成了完整的、系统的体系，整个体系包含制程可靠性、产品可靠性和封装可靠性。 制程可靠性评估采用特殊设计的结构对集成电路中制程相关的退化机理(Wearout Mechanism)进行测试评估。例如，我们使用在芯片切割道(Scribe Line)上的测试结构来进行HCI ( Hot Carrier Injection) 和NBTI (Negative Bias Temperature Instability) 测试，对器件的可靠性进行评估。 产品可靠性和封装可靠性是利用真实产品或特殊设计的具有产品功能的TQV (Technology Qualification Vehicle) 对产品设计、制程开发、生产、封装中的可靠性进行评估。 集成电路可靠性工作者的主要任务 可靠性定义中“规定的时间”即常说的“寿命”。根据国际通用标准，常用电子产品的寿命必须大于10年。显然，我们不可能将一个产品放在正常条件下运集成电路可靠性介绍行10年再来判断这个产品是否有可靠性问题。可靠性评估采用“加速寿命测试”(Accelerated Life Test, ALT)。把样品放在高电压、大电流、高湿度、高温、较大气压等条件下进行测试，然后根据样品的失效机理和模型来推算产品在正常条件下的寿命。通常的测试时间在几秒到几百小时之内。所以准确评估集成产品的可靠性，是可靠性工作者一个最重要的任务。当测试结果表明某一产品不能满足设定的可靠性目标，我们就要和产品设计、制程开发、产品生产部门一起来改善产品的可靠性，这也是可靠性工作者的另一重要职责。当产品生产中发生问题时，对产品的可靠性风险评估是可靠性工作者的第三个重要使命。为了达成这三项使命，我们必须完成以下6个具体工作：1）研究理解产品失效机理和寿命推算模型；2）设计和优化测试结构；3）开发和选择合适的测试设备、测试方法和程序；4）掌握可靠相关的统计知识，合理选择样品数量和数据分析方法；5）深入了解制程参数和可靠性之间的关系；6）掌握失效分析的基本知识，有效利用各种失效分析工具。 这6个方面的工作相互影响依赖。对失效机理和生产制程的理解是最基本的，只有理解，才能设计出比较合适的测试结构，选择适当的测试与数据分析方法，并采用合适的寿命推算模型，以做出准确的寿命评估。只有深入理解制程参数和失效机理之间的互相关系，才能有效地掌握方向、订下重点、分配资源，来改善产品的可靠性。
6.2 半导体集成电路的可靠性设计 军用半导体集成电路的可靠性设计是在产品研制的全过程中，以预防为主、加强系统管理的思想为指导，从线路设计、版图设计、工艺设计、封装结构设计、评价试验设计、原材料选用、软件设计等方面，采取各种有效措施，力争消除或控制半导体集成电路在规定的条件下和规定时间内可能出现的各种失效模式，从而在性能、费用、时间（研制、生产周期）因素综合平衡的基础上，实现半导体集成电路产品规定的可靠性指标。 根据内建可靠性的指导思想，为保证产品的可靠性，应以预防为主，针对产品在研制、生产制造、成品出厂、运输、贮存与使用全过程中可能出现的各种失效模式及其失效机理，采取有效措施加以消除控制。因此，半导体集成电路的可靠性设计必须把要控制的失效模式转化成明确的、定量化的指标。在综合平衡可靠性、性能、费用和时间等因素的基础上，通过采取相应有效的可靠性设计技术使产品在全寿命周期内达到规定的可靠性要求。 6.2.1 概述 1. 可靠性设计应遵循的基本原则 （1）必须将产品的可靠性要求转化成明确的、定量化的可靠性指标。 （2）必须将可靠性设计贯穿于产品设计的各个方面和全过程。 （3）从国情出发尽可能地采用当今国内外成熟的新技术、新结构、新工艺。 （4）设计所选用的线路、版图、封装结构，应在满足预定可靠性指标的情况下尽量简化，避免复杂结构带来的可靠性问题。 （5）可靠性设计实施过程必须与可靠性管理紧密结合。 2. 可靠性设计的基本依据 （1）合同书、研制任务书或技术协议书。 （2）产品考核所遵从的技术标准。 （3）产品在全寿命周期内将遇到的应力条件（环境应力和工作应力）。 （4）产品的失效模式分布，其中主要的和关键的失效模式及其机理分析。 （5）定量化的可靠性设计指标。 （6）生产（研制）线的生产条件、工艺能力、质量保证能力。 3. 设计前的准备工作 （1）将用户对产品的可靠性要求，在综合平衡可靠性、性能、费用和研制（生产）周期等因素的基础上，转化为明确的、定量化的可靠性设计指标。 （2）对国内外相似的产品进行调研，了解其生产研制水平、可靠性水平（包括产品的主要失效模式、失效机理、已采取的技术措施、已达到的质量等级和失效率等）以及该产品的技术发展方向。 (3) 对现有生产（研制）线的生产水平、工艺能力、质量保证能力进行调研，可通过通用和特定的评价电路，所遵从的认证标准或统计工艺控制（SPC）技术，获得在线的定量化数据。
关于Cu互连系统下迁移失效模式研究 张茂林201421030121 摘要 随着电子技术的飞速发展，功能多样、电路结构比较复杂的电子产品得到广泛的应用。电子产品是由各式各样的集成芯片连接成的，而一块集成电路芯片又由成千上万的乃至于上百万个器件通过金属互连线连接而成。当器件失效或者互连线失效，都可能会引起整个集成芯片的失效。如果为了复杂的电子系统能在非常恶劣的环境中长期工作，提高集成芯片的可靠性是非常有必要的。所以，集成电路金属铜互连系统的可靠性一直以来都是I C设计和制造研究的重点和热点。 [1][2] 1 引言 随着集成电路技术的发展，集成电路发展到纳米技术时代，铜互连技术已经成为决定集成电路可靠性、性能、成本和生产率的重要因素。一直以来电迁移被认为是铜互连系统可靠性中的一个很大的问题，但是在1987年的《国际可靠性物理论丛》中初次报告一种和电迁移不同的不良失效类型，这种失效类型是在互连线不通电，只在高温下（高于100℃）放置产生断线现象，原因主要是互连线和互连系统中的介质层材料的热膨胀系数（CTE）有很大差别，发生热失配，进而引起铜互连结构系统热应力缺陷，所以称为应力迁移或应力诱生空洞。目前，应力迁移对集成电路可靠性的影响是人们研究的重要内容之一。 2 铜互连的研究历程 互连（interconnect）是在硅芯片上集成分立的电子元器件，并把这些它们通过金属互连线连接起来形成比较完整的电路的工艺，其中金属互连线可以利用的材料有Al、Au、Ag、Cu 等，各种材料的物理性质如下表2.1所示。尽管用传统Al材料作为金属互连线的成本低、技术也很成熟、粘附性好、容易刻蚀、与P型半导体和N型半导体容易形成良好的欧姆接触。但是它容易发生电迁移，当工艺温度达到300℃左右的时候，Al薄膜上形成突起，穿透与之相邻的金属互连线之间的电介质层引起短路。从表2. 1得知金属Cu是作为集成电路金属互连
集成电路可靠性介绍 ocean 发表于: 2008-7-21 20:59 来源: 半导体技术天地 集成电路可靠性介绍 半导体国际: 中芯国际集成电路制造有限公司(SMIC) 韩强简维廷黄宠嘉 可靠性的定义是系统或元器件在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。从集成电路的诞生开始，可靠性的研究测试就成为IC设计、制程研究开发和产品生产中的一个重要部分。 Jack Kilby 在1958年发明了集成电路，第一块商用单片集成电路在1961年诞生；1962年9月26日，第一届集成电路方面的专业国际会议在美国芝加哥召开。当时会议名称为“电子学失效物理年会”；1967年,会议名称改为“可靠性物理年会”；1974年又改为“国际可靠性物会议”(IRPS) 并延续至今。IRPS已经发展成集成电路行业的一个盛会，而可靠性也成为横跨学校研究所及半导体产业的重要研究领域。 集成电路可靠性评估体系 经过四十多年的发展，集成电路的可靠性评估已经形成了完整的、系统的体系，整个体系包含制程可 靠性、产品可靠性和封装可靠性。 制程可靠性评估采用特殊设计的结构对集成电路中制程相关的退化机理(Wearout Mechanism)进行测试评估。例如，我们使用在芯片切割道(Scribe Line)上的测试结构来进行HCI ( Hot Carrier Injection) 和NBTI (Negative Bias Temperature Instability) 测试，对器件的可靠性进行评估。 产品可靠性和封装可靠性是利用真实产品或特殊设计的具有产品功能的TQV (Technology Qualification Vehicle) 对产品设计、制程开发、生产、封装中的可靠性进行评估。 集成电路可靠性工作者的主要任务 可靠性定义中“规定的时间”即常说的“寿命”。根据国际通用标准，常用电子产品的寿命必须大于10年。显然，我们不可能将一个产品放在正常条件下运集成电路可靠性介绍行10年再来判断这个产品是否有可靠性问题。可靠性评估采用“加速寿命测试”(Accelerated Life Test, ALT)。把样品放在高电压、大电流、高湿度、高温、较大气压等条件下进行测试，然后根据样品的失效机理和模型来推算产品在正常条件下的寿命。通常的测试时间在几秒到几百小时之内。所以准确评估集成产品的可靠性，是可靠性工作者一个最重要的任务。当测试结果表明某一产品不能满足设定的可靠性目标，我们就要和产品设计、制程开发、产品生产部门一起来改善产品的可靠性，这也是可靠性工作者的另一重要职责。当产品生产中发生问题时，对产品的可靠性风险评估是可靠性工作者的第三个重要使命。 为了达成这三项使命，我们必须完成以下6个具体工作： 1）研究理解产品失效机理和寿命推算模型； 2）设计和优化测试结构；
集成电路的工作原理及可靠性分析 工作报告》中提到“推动集成电路、第五代移动通信、飞机发动机、新能源汽车、新材料等产业发展”，这无疑是把集成电路产业发展放在国家实体经济建设发展中的首要位置之一。我相信集成电路产业在国家的大力支持下，产业发展趋势在国内将快速增长。 而且国家在最近几年来里相继的推出一系列支持改革政策来推进集成电路产业的快速发展。预计在到2020年期间，集成电路产业将逐步虽小与国际先进国家的之间的水平的差距，集成电路全行业的销售收入年均水平将超过20%，同行业的电子产业的发展能力也得到大的提高;而且在一些核心企业中一些核心的基础零件40%达到自给自足，逐步摆脱电子产业核心技术受限于外国的局面。在航空航天装备、通信设备等产业中急需的核心电子元器）和关键材料的研发都得到国家大力的支持和推广应用。 在集成电路产业中，坚持研发新型的、先进制程工艺技术是未来集成电路产业的的发展方向，而实际中各种各样的加工制程工艺特点又个不相同，先进制造工艺和传统制造工艺灵活运用于不同的产品，中国集成电路产业在未来的发展之路任重道远。 参考文献 [1]栗晶晶，张智容，集成电路的现状及其发展趋势[J].科学论坛，2014. [2]张汝京等，纳米集成电路制造工艺[M].清华大学出版社，2014. [3]孙肖子.张健康.专用集成电路设计基础[M].西安电子科技大学出版社，2011. [4]王阳元，集成电路工艺基础[M].清华大学出版社，1991. [5]迪建，中国集成电路产业发展机遇与挑战[J].集成电路应用，2015. [6]俞建风，陈翔，杨雪瑛，我国集成电路测试技术现状及发展策略[J].中国测试，2009.